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1、一种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器,高理升 马以武中科院合肥智能所,2023/8/22,2,提 要,一、传感器的设计 二、厚膜电容式微位移传感器的研制 三、信号处理电路设计与优化 四、微位移传感器性能优化 五、微位移传感器性能检测与结果分析 六、总结与展望,一、传感器的设计,2023/8/22,3,变间隙式电容传感器原理及结构示意图,厚膜电容式微位移传感器剖面结构示意图,2023/8/22,4,微位移传感器的芯片与外形结构设计,电容芯片示意图,传感器外观示意图,2023/8/22,5,传感器电容芯片的电极示意图,2023/8/22,6,理论仿真分析,2023/8/22,7,结构设计及其优化,设
2、计图（部分节选）,2023/8/22,8,电容芯片的电极版图（部分节选）,2023/8/22,9,二、厚膜电容式微位移传感器的研制,总体工艺流程,2023/8/22,10,传感器工艺研究,工艺条件对传感器性能的影响分析；（1）两电极之间的间隙；（2）电极面积；（3）结构材料、电极材料；电容电极间填隙材料的选择；印刷、烧结工艺的控制及优化：,2023/8/22,11,（1）两电极初始间隙（）,2023/8/22,12,极板间距的计算,2023/8/22,13,（2）电极面积（电极直径）,其中：D电极直径(cm)，为介电常数，为电极之间的间距(cm),2023/8/22,14,电容芯片包括陶瓷盖板
3、（厚）和弹性膜片，均选用96%Al2O3陶瓷材料；电容芯片的上下电极由（Pd-Ag）导体浆料印刷、烧结而成，导电性能优良而且其热膨胀系数低、温度系数小；,（3）结构材料、电极材料,2023/8/22,15,传感器工艺条件与传感器性能间关系,提高分辨率和灵敏度：减小间隙、弹性膜片的厚度；线性：弹性膜片的平整度、传感器输出等工艺因素；规律（结构、尺寸、工艺）；,2023/8/22,16,电容芯片的厚膜印烧工艺流程,2023/8/22,17,厚膜隧道烧结炉,半自动厚膜平面印刷机,HSL-3600六温区隧道烧结炉,HZL-250红外再流焊炉,主要厚膜工艺设备,2023/8/22,18,三、信号处理电路
4、设计与优化,电容芯片的输出容量小，只有几皮法或几十皮法，必须放大处理；高增益、低噪声放大电路设计；,电路设计基本原理和架构,2023/8/22,19,容转压专用芯片,CAV414是一款多用途处理电容式传感器信号的转换接口集成电路：CAV414能够检测一个被测电容和参考电容的差值；可以检测从10pF到2nF的电容值，输出05V电压，满足本项目使用要求；便于使用，仅需很少几个外接元件即可与CAV414组成多种用途的电容式信号转换电压输出接口电路；,2023/8/22,20,CAV414容转压芯片工作原理图,2023/8/22,21,电路原理图,2023/8/22,22,信号处理电路（2008版）,
5、右图为08版信号处理电路实物照片，采用双面布线，较厚；当时采用的容转压芯片XE-2004现已停产。,2023/8/22,23,信号处理电路（2009版）,右图为09版信号处理电路实物照片，采用CAV414容转压芯片，性能较好。,2023/8/22,24,信号处理电路（2010版）,右图为09版信号处理电路实物照片，采用厚膜工艺实现信号处理电路与电容芯片的一体化集成，性能优异。,2023/8/22,25,四、微位移传感器性能优化,边缘效应的消除；寄生电容干扰的排除；温度稳定性的提高；信号处理电路优化设计,传感器非线性误差,2023/8/22,26,传感器的非线性分析与补偿,传感器非线性产生的主要
6、原因：边缘效应;寄生电容；温、湿度的干扰；,2023/8/22,27,边缘效应引起的非线性,当极板厚度t和间隙之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略;边缘电场将发生畸变，使工作不稳定，非线性误差增加。,2023/8/22,28,边缘效应造成传感器边缘电场畸变，使工作不稳定，非线性误差增加,其中；为边缘效应因子；h为极板厚度；为间隙,2023/8/22,29,克服边缘效应造成传感器边缘电场畸变；增加性能稳定性，减小非线性误差。,设计保护环电路，消除边缘效应：在上电极增加参考电极,2023/8/22,30,边缘效应的消除方法,增设补偿电容：在结构设计时,采用带有补偿电容(保护环)的结构，为消除边
7、缘效应的影响，；补偿电容与测量电容同心，电气上绝缘，且间隙越小越好；补偿电容始终保持等电位，以保证测量电容（中间工作区）始终得到均匀的电场分布。,2023/8/22,31,寄生电容干扰的排除,传感器电容芯片的初始容量小（约20pF）：对寄生电容干扰敏感；易导致传感器不稳定；排除办法：（1）引线加粗、变短；（2）有效接地和屏蔽；（3）电路板的设计、布线及其优化；,2023/8/22,32,提高传感器的温/湿度稳定性,温度和湿度改变时，会导致传感器特性的漂移；选用温度系数小、性能稳定的结构材料；上盖板和弹性膜片由96%Al2O3陶瓷构成，热膨胀系数低、温度系数低；测量、参考电极分别采用Pd-Ag导
8、体浆料印刷、烧结绍而成，热膨胀系数低、温度系数低，导电性能优良；增大传感器的输出；引线设计粗短，克服寄生、分布电容引起的干扰和不稳定。,2023/8/22,33,处理电路的厚膜集成化,PCB电路板通过插针与传感器连接，接出线长，极易产生寄生电容等干扰；采用厚膜集成技术，不用PCB电路板，将放大信号处理电路、电容数字转换芯片、补偿电路直接印烧在陶瓷盖板上；接线短，减小引线带来的寄生电容干扰，显著提高抗干扰能力，性能稳定；,2023/8/22,34,五、微位移传感器性能检测与结果分析,实验室检测方法：合肥智能所：浮球压力计等效模拟微位移测量法；沈阳自动化所：PI纳米操作台标定（PI nanopos
9、ition/scanning stages，P-517.3CD）,2023/8/22,35,小挠度形变下，在实验室中用浮球压力计产生空气压力模拟PZT陶瓷驱动产生微小位移量，对制作的厚膜电容式微位移传感器进行分选，挑选合适的传感器样品封装后装配到微纳操作平台上进行标定和测试。,智能所：浮球压力计模拟微位移测量法,2023/8/22,36,沈阳自动化所PI纳米操作台标定工作原理,传感器被固定在微纳操作平台上，弹性膜片与PZT陶瓷刚性连接，PZT陶瓷受激后使弹性膜片产生形变，根据传感器信号处理电路反馈的电压信号即可测量PZT陶瓷受激产生的微小位移量变化。,2023/8/22,37,已取得的成果,厚
10、膜电容芯片及传感器制作工艺逐渐成熟；信号处理电路不断优化，实现厚膜一体化集成；传感器性能得到显著提高，能分辨并感知12nm微小位移量变化。,2023/8/22,38,不同时期的厚膜电容芯片,普通的厚膜陶瓷电容芯片,带厚膜集成电路的电容芯片,2023/8/22,39,不同阶段的厚膜电容传感器,2008型传感器随XE2004芯片停产而搁浅,2009型传感器环氧树脂电路板温度性能差,2010型传感器电容芯片与电路一体化集成,2023/8/22,40,量程:0 2000 nm;S=400 nm；非线性:1.5%,量程:0 250 nm;S=50 nm；非线性:3.5%,2008年标定结果（部分节选）,
11、2023/8/22,41,量程:0 100 nm;S=20 nm；非线性:4%,量程:0 50 nm;S=10 nm；非线性:7%,2023/8/22,42,2010型标定结果（部分节选）,量程:0 200 nm;S=20 nm非线性:0.1%,量程:0 100 nm;S=10 nm；非线性:0.1%,2023/8/22,43,量程:0 50 nm;S=5 nm；非线性:2%,量程:0 20 nm;S=2 nm非线性:4.5%,2023/8/22,44,传感器的总体评价,动态响应速度快（80Hz）；功耗小（20mW）；灵敏度高、分辨率高（12nm）；结构简单；稳定性高；,2023/8/22,4
12、5,六、总结与展望,开展基于厚膜电容传感原理的纳米级位移测量的特征信息提取方法研究，研制了一种厚膜陶瓷电容式微位移传感器，分辨率可达12nm；适应微纳环境下机器人化操作需求，开展传感器可靠性和小型化研究，采用厚膜工艺实现电容芯片与信号处理电路的一体化集成。,2023/8/22,46,限于经费、测试手段、时间等因素，和国外相比还有一定差距：分辨率能否进一步提高 国外报道0.1纳米（德国米依、PI）；处理电路仍有进一步优化的空间；相关力学分析及理论研究等科学问题；传感器的稳定性尚待提高；应用前景的拓展；,2023/8/22,47,未来展望,深化相关力学分析及理论研究等科学问题研究；进一步探讨微位移
13、测量涉及的力学及特征信息的提取研究；深入开展同微纳操作PZT驱动平台的对接试验；分辨率、精度及其相关结构和工艺因素的研究，提高分辨率、精度；理论推导周边固支圆板在分布载荷、作用于圆心的集中力或位移等；优化结构和工艺，提高分辨率和精度，尤其膜片的变形、电容值等与载荷的关系；开拓新的应用出口，推进科技成果转化。,2023/8/22,48,致 谢 本报告展示的工作得到了国家自然科学基金重点项目“纳米环境中机器人化操作的理论体系与实现方法（No.60635040）”的资助；传感器性能标定工作得到沈阳自动化所董再励研究员课题组的大力帮助，在此一并致以衷心感谢！同时也要感谢我的太太一直以来对我工作的支持，我很期待和她一起迎接我们宝宝的诞生！最后也感谢会务组提供这样一个宝贵的交流机会！,2023/8/22,49,敬请指正，谢谢！,期待更多交流和合作机会：E-mail：,
